波瓣焊接組合零件整體成型工藝與模具技術(shù)

摘 要：通過(guò)對(duì)波瓣焊接組合零件的結(jié)構(gòu)工藝分析，提出了波瓣焊接組合零件整體成型的方案，創(chuàng)新提出了采用帶法蘭拉深毛坯成型波形、并采用限位壓邊控制法蘭厚度的加工工藝方案，闡述了工藝設(shè)計(jì)思路；同時(shí)針對(duì)法蘭成型波形過(guò)程中材料局部凸起變形及破裂問(wèn)題提出了旋轉(zhuǎn)側(cè)推預(yù)成型后再整形的工藝改進(jìn)方案，并闡述了旋轉(zhuǎn)側(cè)推預(yù)成型模具結(jié)構(gòu)方案及工作原理。

關(guān)鍵詞：波瓣焊接組合；整體成型；法蘭增厚；旋轉(zhuǎn)側(cè)推；整形

中圖分類(lèi)號(hào)：TG382 """"文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Integral forming and die technology for lobe welding assembly

LI Youchun， HU Jiamin*， BIN Haoyu， ZHANG Yunxin， LI Jianjun， CHEN Wen

（Aero Engine Corporation of China South Industry Co.， Ltd.， Zhuzhou 412002， Hunan， China）

Abstract： The paper proposes a scheme for the integral forming of the lobe welding assembly by analyzing the structure of the lobe assembly and an innovative processing technology of drawing cylindrical part with flange to form the waveform and limitingbinderpressing distanceto control the flange thickness is proposed. The idea of processing design process is described in this paper. Meanwhile， the scheme of rotary pushing waveform then sizing the lobe welding assembly is adopted to solve the problem of local convex deformation and cracking of the material whenthe flange transferring towaveform. And the rotary pushing die structure and working principle are described.

Key words： lobe welding assembly; integral forming; flange thickening control; rotarypush forming; sizing

0 引 言

波瓣焊接組合零件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)排氣零件，它不僅可以加速航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外涵道流體摻混，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)比，還可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲和紅外輻射，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1-3］。波瓣焊接組合零件通常由多個(gè)尺寸完全相同的波瓣組成，在制造過(guò)程中，波瓣與波瓣之間通過(guò)焊接的方式連接而成［2］。由于零件焊縫數(shù)量多，焊接變形控制難度大，型面尺寸精度低，存在較大質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)［4，5］。同時(shí)，零件加工周期長(zhǎng)，加工成本高，嚴(yán)重影響零件的生產(chǎn)應(yīng)用。采用整體成型技術(shù)具有明顯的質(zhì)量和成本優(yōu)勢(shì)。因此研究波瓣焊接組合零件的整體成形技術(shù)具有重要意義。本文以某波瓣焊接組合零件為研究對(duì)象，開(kāi)展波瓣焊接組合零件整體成型工藝與模具技術(shù)研究，最后通過(guò)生產(chǎn)試制驗(yàn)證波瓣整體成型的可行性。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料

圖1為某波瓣焊接組合零件，由波瓣和波瓣前段焊接組合而成。該零件采用16件單個(gè)成型的波形拼焊成一個(gè)整環(huán)，再與下部波瓣前段焊接，因此波瓣焊接組合零件共有17條焊縫。材料為GH4169合金，厚度為1mm。波瓣零件型面精度要求高，線輪廓精度要求0.4mm以?xún)?nèi)。

2 波瓣焊接組合零件加工工藝分析

波瓣焊接組合零件采用焊接組合工藝方案，則需要分別加工波瓣和波瓣前段。波瓣波形大端展開(kāi)長(zhǎng)度約為2980mm，小端周長(zhǎng)為1278mm，大端長(zhǎng)度為小端長(zhǎng)度的2.33倍。GH4169合金材料延伸率無(wú)法達(dá)到100%以上［6，7］，因此采用拉深筒形毛坯脹形等工藝無(wú)法進(jìn)行整體成形；同樣采用有軸向焊縫的筒形毛坯則由于存在焊縫薄弱環(huán)節(jié)，更是無(wú)法脹形成型。目前國(guó)際上普遍采用單瓣成型加工后再組合焊接的工藝［8-10］。波瓣前段為典型的錐筒件，可以拉深成型。因此目前該類(lèi)波瓣組合零件都是有17條焊縫的組合件。

3 波瓣焊接組合零件整體成型工藝的提出

根據(jù)波瓣焊接組合零件結(jié)構(gòu)和尺寸，充分考慮高溫合金材料的成型性，擬采用圓板料成型波瓣部分，同時(shí)結(jié)合翻邊成型波瓣波形的工藝方法。波瓣焊接組合零件整體成型主要工藝路線為：下圓板料→拉深成型帶法蘭的筒形毛坯→法蘭部位波瓣波形成型→波瓣切筒底→波瓣收口成型→波瓣整形，如圖2所示。

在拉深工序中，考慮到波形部分在成型過(guò)程中會(huì)變薄，在毛坯拉深時(shí)通過(guò)限位拉深增厚法蘭部位材料，保持壓邊間隙約為1.1倍料厚進(jìn)行多次拉深，控制毛坯法蘭處的壁厚分布情況，進(jìn)而改善在后續(xù)翻邊成型中材料各處的厚度均勻性并提高成型性能。拉深毛坯加工后需要將法蘭部位加工出波形。由于波形部分在軸向存在負(fù)角，考慮先將法蘭部位豎起來(lái)，再將波形往中心收攏成型最終形狀，為此經(jīng)拉深成型后，帶法蘭筒形件依次進(jìn)行翻邊成型、切筒底、波瓣徑向收攏成型。為保證最終零件成型質(zhì)量，最終工序?yàn)閷?duì)零件進(jìn)行整形。同時(shí)，為提高零件成型極限，在各成型工序中增加固溶熱處理，以充分恢復(fù)材料塑性，防止零件在成型過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂。

4 整體成型模具結(jié)構(gòu)研究

4.1 零件翻邊成型模具結(jié)構(gòu)

在法蘭邊翻邊為波瓣波形工序中，翻邊圓弧內(nèi)側(cè)為垂直方向，內(nèi)切圓為波瓣型面母線轉(zhuǎn)接內(nèi)切點(diǎn)位置。非圓孔極限翻邊系數(shù)通常小于圓孔的極限翻邊系數(shù)，其關(guān)系為［11］：

m′=m×α180°

（1）

其中，m為圓孔的極限翻邊系數(shù)，α為非圓孔的圓弧對(duì)應(yīng)的中心角（度），m′為非圓孔的極限翻邊系數(shù)。

因此，翻邊工序中波瓣銳角的內(nèi)圓圓角應(yīng)適當(dāng)加大以增大圓弧中心角α處的實(shí)際翻邊系數(shù)，說(shuō)明直線段的存在，極限翻邊系數(shù)可以減小。波峰波谷處圓角加大至最終設(shè)計(jì)值的1.5倍（相當(dāng)于加大翻邊底孔直徑），如圖3所示。由 "于翻邊成型孔邊延伸率通常比單向拉深要大，且經(jīng)過(guò)增厚處理后，孔的極限翻邊系數(shù)更?。粸樘岣叻叧尚涂煽啃裕叧尚秃蟛ㄐ沃芟蜷L(zhǎng)度也可為設(shè)計(jì)值的85%左右，即周長(zhǎng)按2533mm設(shè)計(jì)，單個(gè)波長(zhǎng)最大約158.3mm，這樣邊緣最大延伸率約為28%，材料延伸率完全可以滿足要求，翻邊成型無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 波形收攏成型模具結(jié)構(gòu)

完成波形翻邊成型后需要將波形翻轉(zhuǎn)成型以達(dá)到組合后形狀尺寸要求。理論上可以沿錐面滑塊沿徑向往中心將波形往里直推，模具主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。但通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，在波形根部材料會(huì)往外凸出，且波谷處材料變得很薄也很?chē)?yán)重，波谷處最大應(yīng)變達(dá)0.27，等效應(yīng)變已接近材料延伸率極限，波谷處存在破裂風(fēng)險(xiǎn)，波形收攏成型模擬驗(yàn)證情況如圖5所示。在首次產(chǎn)品加工試驗(yàn)中，波谷處產(chǎn)生了破裂現(xiàn)象，且波形根部材料往外變形凸出。實(shí)際試驗(yàn)中情況與模擬情況基本一致。

分析認(rèn)為，波形根部材料會(huì)往外凸出是由于零件成型時(shí)錐面壓力有一個(gè)向下的分力，而波谷處在模具沒(méi)有完全貼合前外側(cè)處于自由狀態(tài)，在向下壓力的作用下材料就被往外擠從而形成凸起變形。同時(shí)，由于波形往內(nèi)收的變形力通過(guò)沖頭圓角傳遞，相當(dāng)于點(diǎn)接觸，存在應(yīng)力集中，在收口后，波谷處材料變得很薄。

為此，提出斜向向上推模方案，通過(guò)模擬波形根部材料會(huì)往外凸出的情況有改善，但零件有16個(gè)波形，且每個(gè)波的推動(dòng)方向不同，這樣模具必將十分復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造難度非常大，難以實(shí)現(xiàn)。單個(gè)波形依次成型的話，操作難度大，最后也還需要整形，多次定位加工效率很低，質(zhì)量也難以保證。

4.3 收口成型模具改進(jìn)探討

為避免收攏時(shí)波谷破裂，必須改善波谷處的受力狀況以提高材料變形均勻度。同時(shí)，為消除直推收攏時(shí)波形根部材料凸起變形，需要對(duì)該處施加壓力。為此，提出了旋轉(zhuǎn)推模具結(jié)構(gòu)方案。該方案利用杠桿原理，將波瓣通過(guò)旋轉(zhuǎn)方式將波峰波谷收攏至理論位置，型面尺寸再通過(guò)徑向直推收攏方式進(jìn)行整形保證。該方案模具結(jié)構(gòu)如圖6所示，其與徑向收口模具的主要區(qū)別在于，其將圖4中的整體側(cè)推型塊分成了圖6中的側(cè)推滑塊和旋轉(zhuǎn)塊兩部分，通過(guò)旋轉(zhuǎn)塊的半圓弧面作用于波谷的力將波峰波谷收攏至理論位置，受力方式由點(diǎn)變成了線，從而大大改善了零件成型性能。為確保模具結(jié)構(gòu)可操作性，簡(jiǎn)化了旋轉(zhuǎn)塊結(jié)構(gòu)，如圖6所示，采用了半圓弧面的結(jié)構(gòu)而非零件型面結(jié)構(gòu)，加工制造簡(jiǎn)便，同時(shí)，在旋轉(zhuǎn)推進(jìn)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)塊下部緊貼波形根部，從而防止材料往外變形凸出，成型中也不會(huì)產(chǎn)生干涉。

從模擬結(jié)果（圖7）來(lái)看，最大應(yīng)變出現(xiàn)在沖頭圓弧與坯料接觸處（線接觸），即側(cè)壁處，約為0.09。該方案最大應(yīng)變值明顯小于直推方案的應(yīng)變值，不到直推方案的一半，證明了該方案可以極大提高波瓣整體成型的可靠性，可以通過(guò)該方案完成波形的收攏成型，固溶后再采用整體直推的模具進(jìn)行最終整形，以滿足尺寸精度要求。

該方案實(shí)施后成功加工出了整體成型的波瓣（圖8右為實(shí)物照片）。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)波瓣結(jié)構(gòu)及尺寸特點(diǎn)的分析，提出了波瓣整體成型的工藝與模具新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了

波瓣的整體成型加工。與拼焊工藝相比，該零件沒(méi)有焊縫，質(zhì)量更穩(wěn)定可靠。與單瓣成型加工后焊接相比，可以大大降低材料消耗，并提高了生產(chǎn)效率。

對(duì)類(lèi)似波瓣零件的成型，可以根據(jù)該零件工藝、模具設(shè)計(jì)思路，采用類(lèi)似的技術(shù)進(jìn)行加工。該技術(shù)具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

不同于焊接組合加工方法，該技術(shù)有如下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1） 提出了波瓣與波瓣前段整體成型加工的方法，避免了17條縱向及橫向焊縫；

（2） 提出了用圓板材料翻邊成型波瓣的方案，突破了傳統(tǒng)工藝用環(huán)形或錐形坯料成型波形的工藝思路，為實(shí)現(xiàn)波瓣組合整體成型創(chuàng)造條件；

（3） 充分利用了拉深成型中法蘭部位材料增厚度的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了成型材料儲(chǔ)備最大化，提出了用限位壓邊實(shí)現(xiàn)法蘭部位材料增厚儲(chǔ)備方案及法蘭多工序成型變壁厚控制方案，進(jìn)一步提高了材料變薄儲(chǔ)備量，降低了變薄破裂的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高了成型可靠性及成型后材料厚度的均勻性。

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